¿Cómo atrapar un neutrino?

Atrapar un neutrino es parecido a intentar atrapar una bala con una bolsa de papel, es decir, no se puede. Neutrinos no pueden ser atrapados, contrario a lo que ocurre con otras partículas como electrones o fotones. Sin embargo, de la misma forma que una bala dejará una marca en su paso por la bolsa de papel, detectores pueden construirse para inferir la presencia de un neutrino. Así como un pequeño pájaro, un puma y una persona dejan diferentes y distintivas huellas al caminar por la nieve, la huella dejada en un detector puede usarse para determinar las propiedades de la partícula que la produjo.

Neutrinos reciben el apodo de partículas fantasmales (ghost particles) debido a su baja tendencia a interaccionar con la materia lo que los hace difíciles de detectar. Es común escuchar que los neutrinos no interaccionan en absoluto, sin embargo esto es incorrecto. Los neutrinos sí interaccionan con la materia pero la probabilidad de esta interacción es muy pequeña. Esto es equivalente a decir que la probabilidad de ganar la lotería es pequeña, sin embargo alguien en algún lugar gana. Esta pequeña probabilidad de interacción se debe a que los neutrinos son partículas fundamentales sin carga eléctrica, por lo que son insensibles a interacciones electromagnéticas, sólo interaccionan via la interacción nuclear débil (además de la gravedad, cuyos efectos son todavía más débiles). Esto hizo que más de 25 años pasaran entre la propuesta de Pauli de los neutrinos (ver El neutrino está de cumpleaños) y su observación experimental. Es por esto que 61.000.000.000 neutrinos cruzan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo cada segundo sin producir efecto alguno. Hace un tiempo mostré cómo estimar este enorme número en ¿Cuántos neutrinos hay en una caja?
Es típico escuchar que un neutrino puede propagarse de manera inalterada por un año-luz de plomo, entonces cabe preguntarse ¿cómo es que los físicos construyen detectores de neutrinos y miden sus propiedades?

Volviendo a la analogía de la lotería, la probabilidad de ganar es muy baja sin embargo una manera de aumentar nuestras posibilidades de ganar (aunque poco rentable económicamente) sería comprando muchos (¡muchos!) boletos de lotería. Esto es justamente lo que los físicos idearon: la probabilidad de interacción entre un neutrino y un núcleo atómico es fija pero las posibilidades de que dicha interacción ocurra aumentan si disponemos de mucha materia (un detector con muchos átomos) y muchos neutrinos (usando una fuente copiosa de neutrinos).

Los esfuerzos por detectar neutrinos comenzaron durante el Proyecto Manhattan, cuando Fred Reines en Los Alamos vio en una explosión nuclear una intensa fuente de neutrinos. Su implementación no fue posible por problemas técnicos, básicamente el detector sería vaporizado por la explosión lo que no lo hacía un experimento viable. Reines consideró luego una fuente más pacífica de neutrinos, un reactor nuclear que es una intensa fuente de antineutrinos, iniciando la búsqueda de los fantasmales neutrinos en lo que bautizó como Proyecto Polstergeist.

Equipo del Proyecto Poltergeist

Reines junto a Clyde Cowan construyeron un detector que consistía en un tanque de agua que contenía cadmio (elemento 48 en la tabla periódica) y un detector de rayos gamma. El principio era que al interaccionar, un antineutrino transformaría un protón en un neutrón emitiendo un positrón (este proceso se llama desintegración beta inverso). Por un lado, el positrón rápidamente se encontraría con un electrón en los átomos de agua por lo que se aniquilarían emitiendo rayos gamma. Por otro lado, el neutrón luego de una fracción de segundo sería capturado por el cadmio, lo que también produce una emisión de rayos gamma. Por lo tanto, Reines pensó, la señal de un antineutrino en su detector sería la detección de emisiones de rayos gamma separados por una fracción de segundo. El detector fue instalado junto a un reactor nuclear y varios metros bajo tierra para protegerlo de la radiación cósmica; así fue como en 1956 detectaron una doble emisión de rayos gamma en la forma de dos señales consecutivas en sus osciloscopios. Por la detección experimental del neutrino (o antineutrino en este caso) Fred Reines recibió el Premio Nobel en 1995. El principio del detector de Cowan y Reines se sigue usando hasta nuestros días en el estudio de antineutrinos provenientes de reactores nucleares como en los experimentos modernos Daya Bay, Double Chooz y RENO.

Moderno experimento Double Chooz en Francia

Neutrinos creados en aceleradores de partículas y en la alta atmósfera por el bombardeo de rayos cósmicos poseen energías más altas que los antineutrinos de reactores y son principalmente neutrinos muónicos, los que como su nombre indica están asociados al muón, el primo pesado del electrón. Muones son fácilmente identificables por su masa y carga eléctrica, por eso existen dos métodos para detectarlos: detectores magnetizados y detectores de Cherenkov.

Los detectores magnetizados consisten en gigantescos y masivos bloques fabricados típicamente de láminas de acero con un poderoso campo magnético. El principio de detección es bastante simple: un neutrino muónico colisiona con un núcleo atómico en el acero produciendo un muón (además de otras partículas), el muón se mueve dentro del detector curvándose debido al campo magnético. La longitud de la curva así como la distancia recorrida por el muón permiten medir su energía y la orientación de la curvatura permite determinar su carga eléctrica. La reconstrucción 3D de una interacción de este tipo puede verse aquí. Estos detectores magnetizados tienen la gran ventaja de poder distinguir un muón de un anti-muón, lo que a su vez permite conocer si el neutrino que produjo la reacción era un neutrino o un antineutrino, muy importante en el estudio de posibles diferencias entre materia y antimateria. Detectores de este tipo son por ejemplo empleados en el experimento MINOS+ en EEUU. En Fermilab se aceleran protones hasta que tienen alta energía y se usan para bombardear un blanco (una barra de grafito) generando partículas llamadas piones, los que rápidamente se desintegran en muones y neutrinos muónicos. Estos neutrinos viajan 735 km bajo tierra desde Fermilab hasta una mina subterránea a más de 700 m de profundidad donde se encuentra el detector MINOS+, el que curiosamente tiene la forma de señal de alto, como indicando que allí los neutrinos deben detenerse. Un detector similar está ahora en construcción en India, donde se contruye el observatorio indio de neutrinos (INO).

Detector del experimento MINOS+, 486 láminas octagonales de acero forman los 5.400 toneladas del detector.

Los detectores de Cherenkov son particularmente interesantes. Estos detectores usan un medio transparente como agua o hielo. Cuando un neutrino muónico de alta energía interacciona con un átomo del medio produce un muón que se mueve más rápido que la luz en este medio, por lo que a lo largo de su trayectoria se emite un destello de luz llamado radiación de Cherenkov (para entender cómo funciona recomiendo mi artículo anterior La majestuosa radiación de Cherenkov). Este destello se emite como un anillo de luz en la dirección del muón que a su vez es aproximadamente la dirección del neutrino que lo originó, por lo que midiendo el tamaño, la ubicación y la intensidad el anillo de luz es posible reconstruir la dirección en la que el neutrino se movía y su energía. Neutrinos electrónicos son también de gran interés y los detectores de Cherenkov permiten además distinguirlos. Un neutrino electrónico produce un electrón (no un muón), que al ser menos masivo que el muón producen anillos de luz algo difusos, mientras que un neutrino muónico produce un muón que al ser más masivo produce anillos de luz bien definidos. Así es como la huella que se observa en el detector (en forma de luz) permite distinguir diferentes tipos de neutrino de la misma forma que las huellas en la nieve delatan al puma o al pájaro que las produjo. La desventaja de un detector de Cherenkov en comparación a los detectores magnetizados es que neutrinos y antineutrinos producen los mismos efectos y por lo tanto no pueden distiguirse. Existen varios detectores de este tipo como los observatorios de neutrinos solares SNO en Canadá y Borexino en Italia, sin embargo los ejemplos más espectaculares son Super-Kamiokande y IceCube.

Paredes cubiertas de fotodetectores en el interior de Super-Kamiokande antes de ser llenado con agua

Super-Kamiokande (también llamado Super-K o simplemente SK) está ubicado 1 km bajo una gran montaña en el oeste de Japón. Consiste en un cilindro de 40 metros de diámetro y 40 metros de altura que contiene 50.000 toneladas de agua continuamente purificada y con sus paredes internas completamente cubiertas por detectores de luz (llamados fotodetectores). Super-K es la versión en grande de un experimento anterior llamado simplemente Kamiokande. Cuando un muón o un electrón producidos por la interacción de un neutrino con el agua emite su destello de Cherenkov, el anillo de luz es detectado al llegar a las paredes.

Anillos de luz de Cherenkov detectados en las paredes de Super-K. A la izquierda, el anillo bien definido indica que fue producido por un muón; el anillo más difuso de la derecha es la huella de un electrón.

Super-K ha instalado una página que muestra estos anillos de luz en un monitor en tiempo real. Super-K está diseñado para el estudio de neutrinos de alta energía como los producidos por rayos cósmicos en la atmósfera (llamados neutrinos atmosféricos) y neutrinos de baja energía como los emitidos por nuestro Sol (llamados neutrinos solares) y los producidos por explosiones de estrellas (supernovas). En sus casi 20 años en funcionamiento, Super-K ha logrado revolucionarios descubrimientos, en particular que los neutrinos poseen masa, anunciado en 1998. En 2002 Masatoshi Koshiba líder del equipo de Super-K y de su antecesor Kamiokande recibió el Premio Nobel por la detección de neutrinos provenientes del cosmos. En los últimos años Super-K también es usado en experimentos de neutrinos de acelerador como T2K, diseñado para medir importantes parámetros del modelo de neutrinos relevantes en potenciales diferencias entre materia y antimateria.

Detectores de IceCube y la Torre Eiffel para apreciar su tamaño

IceCube está ubicado en el Polo Sur, donde en vez de agua usa el hielo antártico como medio material para la emisión de radiación de Cherenkov. IceCube es la extensión de un experimento anterior llamado AMANDA y consiste en más de 5.000 fotodetectores distribuidos en un cubo de 1 km por lado a 2.5 km bajo la superficie que terminaron de instalarse en 2010. Al igual que en Super-K, sus fotodetectores están diseñados para medir los destellos de Cherenkov producidos por muones más rápidos que la luz en el hielo. IceCube fue construido para el estudio de neutrinos de alta energía como neutrinos atmosféricos (igual que SK) y principalmente neutrinos ultra-energéticos producidos por eventos astrofísicos. Por esto IceCube es a veces llamado un telescopio de neutrinos, ya que servirá para el estudio de los fenómenos más energéticos del universo usando neutrinos. En sus tres primeros años luego de ser completado IceCube ha observado 37 neutrinos astrofísicos marcando el nacimiento de la astronomía de neutrinos (discutiré detalles de neutrinos astrofísicos en un próximo post).
Otros importantes observatorios de este tipo son ANTARES que usa el mismo principio de IceCube pero reemplazando el hielo antártico por las aguas del Mar Mediterráneo a 2.5 km de profundidad y a 40 km. de la costa francesa de Toulon; y Baikal en la profundidad del lago del mismo nombre en Rusia.

El futuro traerá nuevos detectores de neutrinos, los científicos de IceCube ya proponen una nueva generación de su actual observatorio para abarcar 10 km cúbicos, lo que llaman IceCube-Gen2; de la misma forma Japón pretende construir una versión mayor de Super-K con un experimento llamado Hyper-Kamiokande (sí, de los creadores de Kamiokande y Super-Kamiokande, ahora viene Hyper-Kamiokande). Además ya se encuentra en desarrollo el observatorio KM3NeT que poseerá varios kilómetros cúbicos con fotodetectores en el Mediterráneo.

Volviendo a la pregunta del título ¿Cómo atrapar un neutrino?, la respuesta es que no se puede. Entonces ¿es posible medir el paso o la traza de un neutrino? Tampoco, un neutrino a su paso no deja una huella observable, contrario a partículas con carga eléctrica que dejan estelas a su paso en una cámara de burbujas de la misma forma que un avión deja una estela a su paso en el cielo. La única manera de detectar un neutrino es destruyéndolo al esperar que interaccione con átomos en el detector generando nuevas partículas que sí dejan una huella observable. Esto muestra que técnicamente el nombre «detector de neutrinos» es algo inapropiado ya que no se detectan neutrinos, sólo se detectan los efectos de las partículas producidas por un neutrino, es decir, ¡detectores de neutrinos no detectan neutrinos! Lo que en realidad miden son las trayectorias en un detector magnetizado o los destellos de Cherenkov producidos por partículas con carga eléctrica que se mueven más rápido que la luz en el agua o hielo, las que fueron producidas por un neutrino.

Imagino lo asombrados que Wolfgang Pauli y Pavel Cherenkov estarían al ver estos enormes experimentos y tecnologías con los que físicos han aprendido a inferir las propiedades de estos pequeños neutros.

Imágenes: IceCube, National Geographic, Double Chooz, Fermilab, U. Tokio.